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WO2018097009A1 - ディーゼルエンジン - Google Patents

ディーゼルエンジン Download PDF

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Publication number
WO2018097009A1
WO2018097009A1 PCT/JP2017/041127 JP2017041127W WO2018097009A1 WO 2018097009 A1 WO2018097009 A1 WO 2018097009A1 JP 2017041127 W JP2017041127 W JP 2017041127W WO 2018097009 A1 WO2018097009 A1 WO 2018097009A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity
spray
notch
cylinder
piston
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/041127
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
淳 神崎
片岡　一司
尚奎 金
飯田　晋也
Original Assignee
マツダ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by マツダ株式会社 filed Critical マツダ株式会社
Priority to CN201780071724.7A priority Critical patent/CN109983208A/zh
Priority to EP17874938.8A priority patent/EP3530906A4/en
Priority to US16/462,421 priority patent/US20190360428A1/en
Publication of WO2018097009A1 publication Critical patent/WO2018097009A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0618—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston having in-cylinder means to influence the charge motion
    • F02B23/0627—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston having in-cylinder means to influence the charge motion having additional bores or grooves machined into the piston for guiding air or charge flow to the piston bowl
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
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    • F02B23/0669—Details related to the fuel injector or the fuel spray having multiple fuel spray jets per injector nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
    • F02M61/182—Discharge orifices being situated in different transversal planes with respect to valve member direction of movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/09—Pistons; Trunk pistons; Plungers with means for guiding fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a diesel engine, and more particularly to a direct injection diesel engine in which a cavity is formed in a crown surface of a piston, and fuel is directly injected into the cavity from a fuel injection valve.
  • Diesel engines with cavities formed on the crown of pistons are known.
  • the fuel injected from the fuel injection valve reaches the vicinity of the peripheral edge of the cavity, and then is guided along the inner peripheral wall surface toward the center of the cavity to promote mixing with air. ing.
  • the penetration of the spray injected from the fuel injection valve is strong, and the spray speed is even at a position sufficiently away from the fuel injection valve. Is maintained at high speed and mixing with air is promoted.
  • the spray tends to stay near the peripheral edge of the cavity, and the mixing with air is reduced.
  • it is effective to increase the penetration of the spray, but if the penetration of the spray is unnecessarily strong, the amount of heat radiated from the wall near the peripheral edge of the cavity increases. As a result, the cooling loss increases.
  • Patent Document 1 in order to suppress cooling loss in a low load region, the shape of the cavity and the shape (length, diameter) of the injection port of the fuel injection valve are prevented so that the penetration of the spray does not become unnecessarily strong. ) Is set to satisfy a predetermined relationship.
  • Patent Document 1 Although an increase in cooling loss in a low load region can be suppressed, the fluidity of spray is low and mixing with air in the cavity cannot be promoted. For this reason, local combustion is likely to occur in the vicinity of the peripheral edge of the cavity, and NOx and soot may increase due to high temperatures and insufficient oxygen resulting from the local combustion.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a diesel engine that can improve the fluidity in the cavity and promote the mixing with air even if the spray is weak in penetration.
  • a diesel engine includes a cylinder, a cylinder head that covers an end surface of the cylinder, a fuel injection valve attached to the cylinder head, and a reciprocating motion in the cylinder. And a provided piston.
  • the piston has a cavity that is recessed from the crown surface on the opposite side to the cylinder head so that the fuel injected from the fuel injection valve can be received when the piston is located at the top dead center.
  • the piston further includes a notch part in which a region extending from the inner peripheral wall surface of the cavity to the crown surface is recessed radially outwardly at a part of the peripheral edge of the opening of the cavity. The notch is inclined radially inward from the crown surface toward the inner peripheral wall surface at an angle of 0 ° to 50 ° with respect to the central axis of the cylinder.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a combustion chamber of an engine according to an embodiment of the present invention.
  • Sectional drawing of the cavity which comprises a combustion chamber.
  • the top view of the piston provided with the cavity.
  • the side view which shows the structure of a fuel injection valve.
  • Sectional drawing which shows the structure of a fuel injection valve.
  • the perspective view which looked at the piston from the crown side.
  • Explanatory drawing which shows the spray and air flow in a cavity.
  • Explanatory drawing which shows the combustion state in the first half of combustion.
  • Explanatory drawing which shows the combustion state in the second half of combustion.
  • the figure explaining the spray and the flow of air in the cavity which concerns on a modification.
  • the top view which shows the piston which concerns on a modification.
  • Explanatory drawing which shows the spray and air flow in the piston of FIG.
  • Explanatory drawing which shows the modification of the spraying in the piston of FIG. 11, and an air flow.
  • Sectional drawing which shows the cavity at the time of changing the inclination-angle of a circumferential direction wall part.
  • Explanatory drawing which shows the spray and air flow in the cavity of FIG.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber structure of a diesel engine according to an embodiment of the present invention.
  • a combustion chamber 11 of the engine 10 includes an inner peripheral surface of a cylinder 12a formed in a cylinder block 12 and an inside of the cylinder 12a.
  • the piston 13 reciprocally moving hereinafter referred to as the piston crown surface 13a
  • a lower surface 14c of the cylinder head 14 facing the piston crown surface 13a and an intake port 14a and an exhaust port 14b formed in the cylinder head 14.
  • a cavity 30 that is recessed in a direction away from the lower surface 14 c of the cylinder head 14 is formed in the piston crown surface 13 a, and this inner space also constitutes the combustion chamber 11.
  • the cavity 30 has a substantially circular basic shape in plan view.
  • a fuel injection valve 17 is attached to the cylinder head 14. The fuel injection valve 17 is located at the center of the cylinder 12 a in a plan view, and is arranged so that the tip thereof faces the combustion chamber 11.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the combustion chamber 11 on a cross section passing through the central axis X of the cylinder 12a
  • FIG. 3 is a plan view of the combustion chamber 11. 2 and 3 both show a state in which the piston 13 is located at the compression top dead center, and the fuel spray injected from the fuel injection valve 17 is also indicated by the symbol F.
  • FIG. The cavity 30 is set to a shape and size that can receive the fuel (spray F) injected from the fuel injection valve 17 when at least the piston 13 is located at or near the compression top dead center.
  • the cavity 30 is configured as a so-called reentrant type. That is, the cavity 30 is located at the peripheral edge of the opening 31 on the upper surface thereof (hereinafter referred to as the cavity opening 31) and has a diameter reduced as compared with the inside of the cavity 30.
  • the peripheral recessed part 33 which goes to the bottom part of 30 and the center part 34 which goes to the center part of a cavity from the peripheral recessed part 33 are comprised.
  • the peripheral recess 33 is recessed outward in the radial direction so as to have a larger diameter than the lip portion 32.
  • the central portion 34 is formed in a mountain shape that protrudes toward the fuel injection valve 17 located above the central portion.
  • the cavity 30 has an inner peripheral wall surface 30 a that constitutes the radially outer wall portion of the cavity 30 and a bottom wall portion 30 b that constitutes the bottom portion of the cavity 30.
  • the inner peripheral wall surface 30 a is configured by a lip portion 32 and a part of the peripheral recess 33 on the radially outer side.
  • the bottom wall portion 30 b includes a central portion 34 and a part on the bottom side of the peripheral recess 33.
  • a plurality of notches 40 arranged radially at intervals in the circumferential direction are formed radially at the peripheral edge of the cavity opening 31.
  • Each notch 40 is formed by recessing a region extending from the inner peripheral wall surface 30 a of the cavity 30 to the piston crown surface 13 a radially outward.
  • the plurality of notches 40 serve to increase the fluidity of the spray F in the cavity 30 by introducing the air flow on the piston crown surface 13 a to the inside of the cavity 30. Details will be described later.
  • a plurality of injection holes 17a ... 17a are formed around the tip of the fuel injection valve 17.
  • the fuel injection valve 17 is configured such that when the piston 13 is located at or near the compression top dead center, fuel is injected radially from the injection port 17a as shown in FIG.
  • the spray F is configured to be directed near the boundary between the lip portion 32 of the cavity 30 and the peripheral recess 33.
  • FIG. 4A is a side view
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 4A.
  • the nozzle hole 17a is formed to have a predetermined nozzle diameter D and a nozzle length L.
  • the nozzle hole diameter D and the nozzle hole length L of the nozzle hole 17a are configured to satisfy a predetermined relationship with the cylinder diameter C (see FIG. 1), thereby reducing the penetration of the spray F in the low load region. This realizes a reduction in cooling loss due to this, and also realizes a reduction in soot in the medium and high load range.
  • the peripheral recess 33 of the cavity 30 includes a first portion 33 a farthest from the fuel injection valve 17, a second portion 33 b positioned closer to the lip portion 32 than the first portion 33 a, and a first portion.
  • the third portion 33c is located closer to the central portion 34 than 33a.
  • the first portion 33 a, the second portion 33 b, and the third portion 33 c are each configured by an arc having centers O 1 , O 2 , and O 3 on the center side of the cavity 30.
  • the radius R 2 of the arc of the second portion 33b is equal to the radius R 3 of the arc of the third portion
  • the radius R 1 of the arc of the first portion 33a is equal to the radius R 2. It is smaller than and R 3.
  • the cross-sectional shape of the peripheral recess 33 is a line-symmetric shape centering on a straight line Y connecting the center position of the first portion 33a farthest from the nozzle 17a of the fuel injection valve 17 and the nozzle 17a. That is, the peripheral recess 33 is formed such that the portion closer to the second portion 33b than the straight line Y and the portion closer to the third portion 33c than the straight line Y are symmetrical with respect to the straight line Y.
  • Lip 32 following the second portion 33b of the peripheral recess 33 in the section including the center axis X of the cylinder 12a, is constituted by an arc having a center O 4 on the side opposite to the cavity 30 center.
  • two intake ports 14 a and two exhaust ports 14 b are opened at four corners of the combustion chamber 11.
  • the two intake ports 14a are composed of a helical port and / or a tangential port, and a portion opened to the combustion chamber 11 of at least one intake port 14a (port located in the lower right in FIG. 3 in this embodiment). Is configured to point in the clockwise direction in FIG.
  • the air located between the piston crown surface 13 a and the lower surface 14 c of the cylinder head 14 flows into the cavity 30 from the radially outer side to the inner side as the piston 13 approaches the compression top dead center.
  • a squish flow V is generated. That is, in this embodiment, the swirl flow S and the squish flow V are generated in the combustion chamber 11.
  • FIG. 5 is a perspective view of the piston 13 and shows the cavity 30.
  • FIG. 6 is a front view of the notch 40 as viewed in the direction of arrow A in FIG.
  • a plurality of notches 40 are provided at equal intervals in the circumferential direction, and are formed to have the same size.
  • the notch 40 is provided at a position that avoids the spray F injected from the fuel injection valve 17.
  • the injection port 17a of the fuel injection valve 17 faces the non-notched portion 50 which is a basic shape portion (that is, the inner peripheral wall surface 30a) of the cavity 30 located between the adjacent notched portions 40.
  • the number N C of the cutout portion 40, the number of nozzle hole 17a of the fuel injection valve 17 in relation to the (hereinafter referred to as injection port number N H) the following relationship of equation (1) It is set to satisfy.
  • the notch 40 is formed with a number that is not less than half of the number of nozzles NH and not more than the number of nozzles NH .
  • the notch 40 is configured to be adjacent to at least one side in the circumferential direction of the spray F that has reached the inner peripheral wall surface 30 a of the cavity 30.
  • the same number of notches 40 as the number of nozzles NH of the fuel injection valve 17 are provided. That is, the notches 40 are formed at equal intervals in the circumferential direction at 10 locations of the cavity opening 31, and the notches are formed on both sides in the circumferential direction of the sprays F injected to the non-notched portions 50. 40 are located adjacent to each other.
  • the notch 40 is formed in a groove shape having a predetermined width in the circumferential direction. That is, the notch 40 has a groove bottom wall 41 that forms a belt-shaped bottom surface that has a predetermined width in the circumferential direction and faces the center of the cavity 30, and a radially inner side from both circumferential ends of the groove bottom wall 41. And a pair of side wall portions 42 facing each other in the circumferential direction.
  • the groove bottom wall portion 41 is inclined inward in the radial direction from the piston crown surface 13 a toward the peripheral recess 33 of the cavity 30. More specifically, on the cross-sectional view shown in FIG. 2, the groove bottom wall portion 41 is formed along a tangent line that circumscribes the peripheral recess 33 of the cavity 30. Thereby, the groove bottom wall part 41 and the peripheral recessed part 33 are smoothly continuing without a bend and a level
  • the groove bottom wall portion 41 is inclined radially inward from the piston crown surface 13a toward the peripheral recess 33 with an inclination angle ⁇ of about 30 ° with respect to the central axis X of the cylinder 12a.
  • the inclination angle ⁇ may be larger or smaller than 30 ° within a range of 0 ° (that is, an angle at which the groove bottom wall portion 41 is parallel to the central axis X) or more.
  • the inclination angle ⁇ is 0 ° or more and 50 ° or less.
  • the path from the piston crown surface 13a to the notch 40 along the groove bottom wall 41 is greatly bent radially outward in the cross section shown in FIG. It is difficult to smoothly introduce the air flow on the piston crown surface 13 a into the cavity 30.
  • the larger the inclination angle ⁇ the smoother the path from the piston crown surface 13a to the notch 40 can be made in the cross section shown in FIG. 2, making it easier to introduce air flow into the cavity 30 and increasing its flow rate. Can be made.
  • the depth of the central portion 340 of the cavity 30 is made shallower after the inclination angle ⁇ of the groove bottom wall portion 410 is made larger than 50 °.
  • the spray Fa injected from the fuel injection valve 17 and the spray Fb whose direction is changed by the inner peripheral wall surface 30a and guided along the central portion 340. are likely to interfere with each other (W in the figure indicates an interference region), the flow of the spray F is hindered, and the mixing with air is reduced.
  • the notch 40 has an inclination angle ⁇ of the groove bottom wall 41 set to 30 °, and an upper end located on the piston crown surface 13a side opens on the piston crown surface 13a.
  • the inclination angle ⁇ of the cutout portion 40 is small (for example, 0 °)
  • the upper end portion of the cutout portion 40 opens to the lip portion 32.
  • the pair of side wall portions 42 facing each other in the circumferential direction extend radially with respect to the center of the cylinder 12a. For this reason, the groove width of the cutout portion 40 increases as it advances radially outward.
  • a pair of side wall part 42 is extended in parallel with the central axis X of the cylinder 12a, and is orthogonally crossed with respect to the piston crown surface 13a.
  • each notch 40 is formed in a predetermined angle range ⁇ around the central axis X of the cylinder 12a.
  • the angle range ⁇ is set in consideration of the spray angle ⁇ (spread in a plan view of FIG. 3) of the spray F so that the non-notched portion 50 that receives the spray F is secured in a predetermined angle range (at least 15 °). ing.
  • the angle range ⁇ of the notch 40 takes into account the number of assumed nozzles (for example, 16 nozzles at most) so that the non-notch 50 has a wider angle range than the spray angle ⁇ of the spray F.
  • the angle is set to 7.5 ° or more and 30 ° or less.
  • the non-notched portion 50 needs to be in an angle range of at least 15 °.
  • the angle range ⁇ of each of the plurality of notches 40 is set to 7.5 °, a total of 16 non-notches 50 having an angle range of 15 ° can be formed. It is possible to use a fuel injection valve 17 having the same. Further, when the angle range ⁇ of each of the plurality of notches 40 is set to 30 °, a total of eight non-notch portions 50 having an angle range of 15 ° can be formed, so that the fuel injection valve having a maximum of 8 nozzles 17 can be used.
  • the angle range ⁇ of the notch 40 is set to 14 °
  • the angle range of the non-notch 50 is set to 22 °.
  • the angle range (22 °) of the non-notched portion 50 is wider than the lower limit angle range (15 °) described above.
  • the pair of side wall portions 42 only need to extend substantially radially from the central axis X of the cylinder 12a, and does not necessarily need to be positioned on a straight line passing through the central axis X. Therefore, the pair of side wall portions 42 may be parallel to each other, and may be inclined in the same direction or in different directions with respect to a line extending radially from the central axis X. In this case, the groove width of the notch 40 may be constant, or may increase or decrease toward the radially outer side. In short, the non-notch part 50 located between the adjacent notch parts 40 should just be set so that it may have an angle range wider than spray angle (theta) of the spray F. FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the spray F and the air flow Z in the combustion chamber 11 when the piston 13 is positioned near the compression top dead center.
  • the swirl flow S and the squish flow V are generated in the combustion chamber 11 (see FIG. 3), and on the piston crown surface 13a located near the compression top dead center.
  • an air flow Z introduced into the cavity 30 from the notch 40 is generated.
  • the swirl flow S that flows clockwise in a plan view and the squish flow V that flows from the radially outer side to the radially inner side are combined, so that the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30 through the plurality of cutouts 40.
  • the air flow Z toward the central part 34 side is generated. For this reason, as shown in FIG. 7, the air flow Z introduced into the cavity flows in the clockwise direction along the swirl flow S and moves radially inward along the squish flow V. It will flow in a spiral toward the center.
  • FIG. 8 shows the state of the first half of combustion in the low load region.
  • the spray F injected from the fuel injection valve 17 reaches the inner peripheral wall surface 30 a, and then most of the spray F travels along the peripheral recess 33 to the bottom side of the cavity 30. You can change the direction. However, since the penetration of the spray F is weak (that is, the fluidity is low) in the low load region, the spray F stays in the vicinity of the peripheral recess 33.
  • the air flow Z introduced from the notch 40 entrains the spray F located on the downstream side in the swirl direction, as shown in FIGS. Flowing in a spiral toward As a result, as shown in FIG. 8, the flow of the spray F staying in the peripheral recess 33 toward the central portion 34 side is promoted, so that the mixing property of the spray F and the air in the cavity 30 is improved. .
  • the air flow Z is directed in substantially the same direction as the direction of the spray F staying in the peripheral recess 33, the air flow Z does not hinder the flow of the spray F, but rather assists the movement toward the central portion 34 side. Thereby, the flow of the spray F is further promoted. Further, since the groove bottom wall portion 41 is formed along a tangent line circumscribing the peripheral concave portion 33 in a sectional view, the air flow Z introduced from the notch portion 40 is smoothly introduced into the peripheral concave portion 33. Can do. Thereby, the flow of the spray F is further promoted.
  • the spray F since the arc radius R 2 which constitutes the second portion 33b of the peripheral recess 33 is relatively large (larger than the radius R 1 of the first portion 33a), as shown in FIG. 8, the spray The angle formed between the tangential T direction and the spray direction of the spray F at the part where F collides can be reduced. Thereby, the spray F does not collide violently with the inner peripheral wall surface 30a and is not scattered to the periphery, and the spray F can be smoothly introduced into the second portion 33b.
  • the spray F colliding with the lip portion 32 in the vicinity of the boundary between the second portion 33b and the lip portion 32 also flows smoothly toward the second portion 33b side without much scattering. To be guided. Thereby, most of the spray F is introduced into the cavity 30.
  • the spray F moves from the second portion 33b to the first portion 33a, and the direction of the flow is changed in the direction in which the piston 13 moves from the radially outer side to the inner side.
  • the radius R 1 of the first portion 33 a is smaller than the radius R 2 of the second portion 33 b, the diffusion of the spray F is suppressed and coupled with the assistance by the air flow Z from the notch 40, The flow of the spray F toward the three portions 33c is accelerated.
  • peripheral recess 33 is formed symmetrically about a straight line Y connecting the position P in the first portion 33a farthest from the fuel injection valve 17 and the injection port 17a of the fuel injection valve 17 at the time of fuel injection.
  • the flow of the semi-combustion gas that is once accelerated and then decelerated is smoothly converted from the radially outer side to the inner side of the piston 13 with the position P of the first portion 33a as a boundary without being greatly dispersed.
  • the flow of the semi-combustion gas flows toward the central portion 34 side of the cavity 30 without being dispersed while maintaining the momentum, and is excellent in the amount of air present in the central portion of the combustion chamber 11.
  • Mixing produces a uniform and lean combustion gas. And by the combustion progressing in that state, the generation of soot due to combustion in the rich region is suppressed, and the entire combustion gas is relatively lean, so that the soot generated in part is also effective Will be oxidized.
  • the air flow Z is introduced into the cavity 30 from the plurality of notches 40, and the air flow Z allows the spray F injected from the plurality of nozzles 17 a to flow toward the central portion 34 of the cavity 30. it can. Moreover, since the spray F is injected toward the non-notch part 50, after being changed in direction by being guided by the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30, the notch part 40 introduced in the same direction as this direction. The air flow Z from the air further promotes the flow toward the central portion 34 side.
  • each of the plurality of notches 40 is formed in an angle range of 7.5 ° to 30 ° around the central axis X of the cylinder 12a in plan view.
  • the angle range ⁇ of the notch 40 is less than 7.5 °, the volume of the notch 40 becomes relatively small, and therefore the momentum of the air flow introduced by the notch 40 is small, Less effective to promote flow.
  • the angle range ⁇ of the notch 40 is larger than 30 °, the improvement in the flow promoting effect of the spray F by the notch 40 cannot be expected so much. Rather, since the volume of the notch 40 becomes excessively large, the volume of the cavity 30 needs to be excessively small in order to maintain the compression ratio of the combustion chamber 11. In this case, as already described with reference to FIGS. 14 and 15, it is disadvantageous in terms of spray mixing and cooling loss. That is, if the combustion chamber 11 is shallow, the sprays injected from the fuel injection valve 17 are likely to interfere with each other, and the mixing property between the spray and air is reduced. On the other hand, if the cavity opening 31 is made small, the penetration of the spray F when it reaches the inner peripheral wall surface 30a becomes relatively strong, so that the cooling loss increases.
  • At least one of the two intake ports 14a is configured by a helical port and / or a tangential port, and thus the swirl flow S is generated in the combustion chamber 11, but this is not restrictive. That is, as shown in FIG. 10, even when the swirl flow S is hardly generated in the combustion chamber 11 by the intake port and the squish flow V is mainly generated, the fluidity of the spray F can be increased.
  • the pressure is likely to be lower than the surroundings due to the strong air flow. Due to this pressure drop, the spray F located around the notch 40 and the air flow Z is attracted to the air flow Z and moves toward the central portion 34 together with the air flow Z. Therefore, even when the swirl flow S is hardly generated and the squish flow V is mainly generated, the flow of the spray F toward the central portion 34 can be promoted by the notch 40.
  • FIG. 11-13 a plan view of the combustion chamber 11, shows a variation of the number N C was half the injection port number N H of the fuel injection valve 17 of the notch 40.
  • injection port number N H is 10
  • the number N C of the cutout portion 40 is 5.
  • Each spray F injected from the fuel injection valve 17 is adjacent to the notch 40 on one side in the circumferential direction and adjacent to the spray F on the other side.
  • the air flow Z is adjacent to both sides in the circumferential direction as shown in FIG.
  • the sprays F 1 and F 2 act so as to flow toward the central portion 34 of the cavity 30 while being drawn by the reduced pressure.
  • the angle range ⁇ of the notch 40 may be set as a function of the number of nozzles NH .
  • the number of nozzles NH of the fuel injection valve 17 and the angle range ⁇ of the notch 40 are set so as to satisfy the relationship of the following formula (2).
  • the angle range ⁇ when the angle range ⁇ is set to the lower limit value, at least 10% of the total angular range ⁇ of the notch portions 40 in the peripheral portion of the piston crown surface 13a is secured. The flow rate of the air flow introduced into the cavity 30 via the portion 40 can be ensured. Further, when the angle range ⁇ is set to the upper limit value, the non-notched portion 50 can be secured in an angle range of at least 15 °, so that the inner peripheral wall surface is received while the spray F is received by the non-notched portion 50. It can guide to the cavity 30 along 30a.
  • a piston having a reentrant type cavity has been described as an example, but the present invention may be applied to a piston having various cavities such as a shallow bottom type or a toroidal type.
  • the plurality of notches 40 are provided on the peripheral edge of the cavity opening 31, but the present invention is not limited to this. That is, you may provide only one place. Also by this, an air flow can be introduced from the notch 40 to the cavity 30.
  • Examples 1 to 4 differ only in the inclination angle ⁇ of the groove bottom wall 41 of the notch 40, and the others are the same. That is, each notch 40, injection port number N H of the fuel injection valve 17 is 10, the number N C of similarly notch 40 is also 10, the angle range ⁇ in the circumferential direction is 14 °.
  • Example 1 the inclination angle ⁇ of the notch 40 (groove bottom wall 41) is 0 °, and in Examples 2 to 4, the inclination angle ⁇ of the notch 40 is 20 °, 30 °, and 45 °. And increase in order.
  • the air flow Z in the low speed region of the piston 13 having the notch portion 40 according to Examples 1 to 4 is evaluated based on the maximum flow velocity, and Table 1 shows that the maximum air flow velocity in Example 1 is 100.
  • the maximum flow rates from 2 to 4 are indicated by indices.
  • the maximum flow velocity of the air flow Z increases as the inclination angle ⁇ of the notch 40 increases from 0 °.
  • the maximum flow velocity of the air flow Z increases significantly when the inclination angle ⁇ is greater than 20 °.
  • Example 3 and Example 4 as the inclination angle ⁇ becomes larger than 30 °, the increase rate of the maximum flow velocity converges.
  • the maximum flow velocity of the air flow Z can be increased by setting the inclination angle ⁇ of the notch 40 to 0 ° or more, and thereby the fluidity of the spray F in the cavity 30 can be enhanced.
  • the fluidity of the spray F can be effectively increased while preventing the range of the notch 40 from becoming excessive.
  • the diesel engine includes a cylinder, a cylinder head that covers an end surface of the cylinder, a fuel injection valve attached to the cylinder head, and a piston provided in the cylinder so as to be capable of reciprocating.
  • the piston has a cavity that is recessed from the crown surface on the opposite side to the cylinder head so that the fuel injected from the fuel injection valve can be received when the piston is located at the top dead center.
  • the piston further includes a notch part in which a region extending from the inner peripheral wall surface of the cavity to the crown surface is recessed radially outwardly at a part of the peripheral edge of the opening of the cavity. The notch is inclined radially inward from the crown surface toward the inner peripheral wall surface at an angle of 0 ° to 50 ° with respect to the central axis of the cylinder.
  • a horizontal air flow (for example, a swirl flow or a squish flow) generated on the piston crown near the top dead center is directed from the inner peripheral wall surface of the cavity toward the center through the notch.
  • the flow of air introduced through the notch promotes the flow of the spray toward the central portion in the vicinity of the inner peripheral wall surface of the cavity, so that the mixing property of the spray and air is improved. That is, even if the spray is apt to stay on the inner peripheral wall surface of the cavity due to weak penetration, the flow is promoted and the mixing with the air in the cavity can be improved.
  • the notch is inclined radially inward from the crown surface of the piston toward the inner peripheral wall surface of the cavity at an angle of 0 ° or more and 50 ° or less with respect to the central axis of the cylinder. As a result, the air flow by the notch can be effectively generated radially inward.
  • the volume of the notch becomes excessively large, and it is necessary to excessively reduce the volume of the cavity in order to maintain the compression ratio of the combustion chamber.
  • the combustion chamber is shallowed to reduce the volume of the cavity, the sprays easily interfere with each other, and the effect of improving the mixing with air is reduced.
  • the opening diameter of the combustion chamber is made small to reduce the volume of the cavity, the penetration of the spray becomes strong and the cooling loss increases.
  • a plurality of the notches are formed at intervals in the circumferential direction.
  • the fuel injection valve is located at the center in the radial direction when viewed from the central axis direction of the cylinder, and has a plurality of injection holes through which fuel can be injected radially.
  • the spray sprayed from the plurality of nozzles can be made to flow toward the cavity central part side by the air flow introduced from the notch part.
  • the spray whose mixing with air is promoted can be diffused substantially uniformly into the cavity.
  • the fuel injection valve has an injection port capable of injecting fuel so as to be directed to a non-notched portion which is a portion other than the notched portion at a peripheral edge portion of the opening of the cavity.
  • the spray injected toward the non-notched portion is guided to the central portion side by the inner peripheral wall surface of the cavity, and the spray to the central portion side is caused by the air flow introduced from the notched portion. Flow is further promoted.
  • the diesel engine according to the present invention can improve the fluidity in the cavity and promote the mixing with air even in the case of sprays with weak penetration. May be used.

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Abstract

ディーゼルエンジンは、シリンダ（１２）と、シリンダヘッド（１４）と、燃料噴射弁（１７）と、ピストン（１３）とを備える。ピストン（１３）は、上死点に位置するときに燃料噴射弁（１７）から噴射された燃料を受け入れ可能なように凹設されたキャビティ（３０）と、キャビティ（３０）の開口部の周縁部の一部を径方向外側へ凹設した切欠き部（４０）とを有している。切欠き部（４０）は、ピストン冠面（１３ａ）から内周壁面（３０ａ）に向かってシリンダ（１２ａ）の中心軸に対して０°以上５０°以下の角度で径方向内側へ傾斜している。

Description

ディーゼルエンジン
　本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特にピストンの冠面にキャビティが凹設されており、該キャビティに燃料噴射弁から燃料が直接に噴射される直噴式ディーゼルエンジンに関する。
　ピストンの冠面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンが知られている。このエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料は、キャビティの周縁部近傍に到達した後、内周壁面に沿ってキャビティの中央側に案内されて、空気との混合が促進されるようになっている。特に、比較的多量の燃料が噴射される中負荷域又は高負荷域では、燃料噴射弁から噴射される噴霧のペネトレーション（貫徹力）が強く、燃料噴射弁から十分に離れた位置でも噴霧の速度が高速に維持され、空気との混合が促進される。
　一方、燃料噴射量の少ない低負荷域においては、噴霧は、キャビティの周縁部近傍に滞留しやすく、空気との混合性が低下してしまう。空気との混合性を向上させるには、噴霧のペネトレーションを強くするのが有効であるが、噴霧のペネトレーションが不必要に強いと、キャビティの周縁部近傍の壁面から放熱される熱量が増大してしまい、冷却損失が増大する。
　これに対して、特許文献１には、低負荷域における冷却損失を抑制するため、噴霧のペネトレーションが不必要に強くならないように、キャビティの形状及び燃料噴射弁の噴口の形状（長さ、口径）を所定の関係を満足するように設定することが開示されている。
　しかしながら、特許文献１によれば、低負荷域における冷却損失の増大を抑制できるものの、噴霧の流動性は低く、キャビティにおける空気との混合を促進できるものではない。このため、キャビティの周縁部近傍において局所燃焼が生じやすく、該局所燃焼に起因した高温化と酸素不足からＮＯｘ及び煤が増大する場合がある。
特開２０１５－２３２２８８号公報
　本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ペネトレーションの弱い噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるディーゼルエンジンを提供することを目的とする。
　前記課題を解決するためのものとして、本発明のディーゼルエンジンは、シリンダと、前記シリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁と、前記シリンダ内に往復運動可能に設けられたピストンとを備える。前記ピストンは、上死点に位置するときに前記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け入れ可能なように冠面から前記シリンダヘッドとは反対側に凹設されたキャビティを有する。前記ピストンは、更に、前記キャビティの開口部の周縁部の一部に、前記キャビティの内周壁面から前記冠面にわたる領域を径方向外側へ凹設した切欠き部を有する。前記切欠き部は、前記冠面から前記内周壁面に向かって前記シリンダの中心軸に対して０°以上５０°以下の角度で径方向内側へ傾斜している。
本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室を概略的に示す断面図。 燃焼室を構成するキャビティの断面図。 キャビティが設けられたピストンの平面図。 燃料噴射弁の構造を示す側面図。 燃料噴射弁の構造を示す断面図。 ピストンを冠面側から見た斜視図。 図５のＡ矢視による、切欠き部の正面図。 キャビティにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。 燃焼前半における燃焼状態を示す説明図。 燃焼後半における燃焼状態を示す説明図。 変形例に係るキャビティにおける噴霧及び空気の流動を説明する図。 変形例に係るピストンを示す平面図。 図１１のピストンにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。 図１１のピストンにおける噴霧及び空気流動の変形例を示す説明図。 周方向壁部の傾斜角度を変更した場合のキャビティを示す断面図。 図１４のキャビティにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。
　以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各距離の比率等は現実のものとは相違している。
　図１は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造を示すもので、このエンジン１０の燃焼室１１は、シリンダブロック１２に形成されたシリンダ１２ａの内周面と、シリンダ１２ａ内を往復動するピストン１３の冠面１３ａ（以下、ピストン冠面１３ａという）と、ピストン冠面１３ａに対向するシリンダヘッド１４の下面１４ｃと、シリンダヘッド１４に形成された吸気ポート１４ａ及び排気ポート１４ｂをそれぞれ開閉する吸気弁１５及び排気弁１６の各下面とによって区画されている。
　ピストン冠面１３ａには、シリンダヘッド１４の下面１４ｃから離れる方向に凹陥したキャビティ３０が形成されており、この内側空間も燃焼室１１を構成している。キャビティ３０は、平面視での基本形状が略円形に構成されている。シリンダヘッド１４には、燃料噴射弁１７が取り付けられている。燃料噴射弁１７は、平面視でシリンダ１２ａの中央に位置しており、先端部が燃焼室１１に臨むように配置されている。
　図２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘを通る断面上における燃焼室１１の断面図であり、図３は、燃焼室１１の平面図である。図２及び図３ではいずれも、ピストン１３が圧縮上死点に位置する状態が示されており、併せて、燃料噴射弁１７から噴射された燃料の噴霧が符号Ｆにより示されている。キャビティ３０は、少なくともピストン１３が圧縮上死点又はこの近傍に位置するときに、燃料噴射弁１７から噴射された燃料（噴霧Ｆ）を受け入れ可能な形状及び大きさに設定されている。
　図２に示されるように、キャビティ３０は、いわゆるリエントラント型に構成されている。すなわち、キャビティ３０は、その上面の開口部３１（以下、キャビティ開口部３１という）の周縁部に位置しかつキャビティ３０の内部に比して縮径されたリップ部３２と、リップ部３２からキャビティ３０の底部に向かう周辺凹部３３と、周辺凹部３３からキャビティの中央部に向かう中央部３４とで構成されている。周辺凹部３３は、リップ部３２よりも拡径するように径方向外側へ凹設されている。中央部３４は、その中心部上方に位置する燃料噴射弁１７に向かって凸となる山状に形成されている。
　言い換えると、キャビティ３０は、キャビティ３０の径方向外側壁部を構成する内周壁面３０ａと、キャビティ３０の底部を構成する底壁部３０ｂとを有している。内周壁面３０ａは、リップ部３２と、周辺凹部３３の径方向外側の一部とにより構成されている。底壁部３０ｂは、中央部３４と、周辺凹部３３の底側の一部とにより構成されている。
　図３に示されるように、キャビティ開口部３１の周縁部には、周方向に間隔を空けて並ぶ複数の切欠き部４０が放射状に形成されている。各切欠き部４０は、キャビティ３０の内周壁面３０ａからピストン冠面１３ａにわたる領域を径方向外側へ凹設することにより形成されている。複数の切欠き部４０は、ピストン冠面１３ａ上の空気流動をキャビティ３０の内側に導入させて、キャビティ３０内における噴霧Ｆの流動性を増大させる役割を果たす。詳細は後述する。
　燃料噴射弁１７の先端部の周囲には、複数の噴口１７ａ…１７ａが形成されている。燃料噴射弁１７は、ピストン１３が圧縮上死点又はこの近傍に位置するときに、図３に示されるように、噴口１７ａから放射状に燃料が噴射されるように構成されると共に、図２に示されるように、噴霧Ｆがキャビティ３０のリップ部３２と周辺凹部３３との境界部近傍を指向するように構成されている。
　本実施形態では、噴口１７ａは、周方向に等間隔で１０個設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。図４Ａ，Ｂは、燃料噴射弁１７の先端部を拡大して示しており、図４Ａは側面図、図４Ｂは図４ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。
　図４Ｂに示されるように、噴口１７ａは、所定の噴口径Ｄ及び噴口長Ｌを有するように形成されている。噴口１７ａの噴口径Ｄ及び噴口長Ｌは、シリンダ径Ｃ（図１参照）との関係で所定の関係を満たすように構成されており、これによって、低負荷域における噴霧Ｆの低ペネトレーション化を実現してこれによる冷却損失の低減を実現すると共に、中高負荷域におけるスート（煤）の低減を実現するようになっている。
　図２に戻って、キャビティ３０の周辺凹部３３は、燃料噴射弁１７から最も離れた第１部分３３ａと、第１部分３３ａよりもリップ部３２側に位置する第２部分３３ｂと、第１部分３３ａよりも中央部３４側に位置する第３部分３３ｃとで構成されている。第１部分３３ａ、第２部分３３ｂ、及び第３部分３３ｃは、それぞれ、キャビティ３０の中心側に中心Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３を有する円弧で構成されている。
　また、本実施形態では、第２部分３３ｂの円弧の半径Ｒ２と第３部分の円弧の半径Ｒ３とが等しくされていると共に、第１部分３３ａの円弧の半径Ｒ１が、半径Ｒ２及びＲ３よりも小さく設定されている。これにより、周辺凹部３３の断面形状は、燃料噴射弁１７の噴口１７ａから最も離れた第１部分３３ａの中心位置と噴口１７ａとを結ぶ直線Ｙを中心とした線対称の形状とされる。すなわち、周辺凹部３３は、直線Ｙよりも第２部分３３ｂ側の部分と直線Ｙよりも第３部分３３ｃ側の部分とが直線Ｙを挟んで対称となるように形成されている。
　周辺凹部３３の第２部分３３ｂに続くリップ部３２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘを含む断面上において、キャビティ３０中心とは反対側に中心Ｏ４を有する円弧で構成されている。
　図３において２点鎖線で示されるように、燃焼室１１の４隅に、２つの吸気ポート１４ａと２つの排気ポート１４ｂとが開口している。２つの吸気ポート１４ａは、ヘリカルポート及び／又はタンジェンシャルポートから構成されており、少なくとも一方の吸気ポート１４ａ（本実施形態では図３の右下に位置するポート）の燃焼室１１に開口する部分の軸線が、図３において時計回り方向を指向するように構成されている。
　これによって、図３において右下に位置する吸気ポート１４ａから燃焼室１１に導入される新気は、燃焼室１１に向かって時計回り方向に導入されやすく、燃焼室１１に時計回り方向に流れるスワール流Ｓが生成される。スワール流Ｓは、ピストン冠面１３ａの上方だけでなく、キャビティ３０の内部にも生成される。
　また、燃焼室１１には、ピストン１３が圧縮上死点に向かうにつれて、ピストン冠面１３ａとシリンダヘッド１４の下面１４ｃとの間に位置する空気がキャビティ３０に流れ込むように、径方向外側から内側へ流れるスキッシュ流Ｖが生成される。すなわち、本実施形態では、燃焼室１１においてスワール流Ｓとスキッシュ流Ｖとが生成される。
　以下、図５及び図６を併せて参照して、ピストン１３のキャビティ開口部３１の周縁部に形成された切欠き部４０について詳述する。図５は、ピストン１３の斜視図であって、キャビティ３０を示している。図６は、図５のＡ矢視による切欠き部４０の正面図である。図５に示されるように、切欠き部４０は、周方向に等間隔に複数設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。
　図３を併せて参照して、切欠き部４０は、燃料噴射弁１７から噴射される噴霧Ｆを避けた位置に設けられている。換言すれば、隣接する切欠き部４０の間に位置するキャビティ３０の基本形状部分（すなわち内周壁面３０ａ）である非切欠き部５０に、燃料噴射弁１７の噴口１７ａが対向するようになっている。ここで、本実施形態では、切欠き部４０の数ＮＣは、燃料噴射弁１７の噴口１７ａの数（以下、噴口数ＮＨと称する）との関係で、以下の式（１）の関係を満たすように設定されている。
　ＮＨ／２≦ＮＣ≦ＮＨ　‥‥（１）
　すなわち、切欠き部４０は、噴口数ＮＨの半分以上、噴口数ＮＨ以下の数で形成されている。換言すれば、キャビティ３０の内周壁面３０ａに到達した噴霧Ｆの少なくとも周方向の一方側には、切欠き部４０が隣接して位置するように構成されている。
　なお、本実施形態では、切欠き部４０は、燃料噴射弁１７の噴口数ＮＨと同じ数だけ設けられている。すなわち、切欠き部４０は、キャビティ開口部３１の１０箇所に周方向に等間隔で形成されており、非切欠き部５０に噴射された各噴霧Ｆの周方向の両側には、切欠き部４０が隣接して位置している。
　切欠き部４０は、周方向に所定幅を有する溝状に形成されている。すなわち、切欠き部４０は、周方向に所定幅を有しかつキャビティ３０の中心を臨む帯状の底面を構成する溝底壁部４１と、溝底壁部４１の周方向の両端から径方向内側に迫り出しかつ周方向に対向する一対の側壁部４２とを有している。
　図２に破線で示されるように、溝底壁部４１は、ピストン冠面１３ａからキャビティ３０の周辺凹部３３に向かって径方向内側へ傾斜している。より具体的には、図２に示す断面図上で、溝底壁部４１は、キャビティ３０の周辺凹部３３と外接する接線に沿って形成されている。これにより、溝底壁部４１と周辺凹部３３とが、折れや段差を介さず滑らかに連続している。
　本実施形態において、溝底壁部４１は、ピストン冠面１３ａから周辺凹部３３に向かってシリンダ１２ａの中心軸Ｘに対して約３０°の傾斜角度αで径方向内側へ傾斜している。なお、溝底壁部４１は、周辺凹部３３に向かって径方向外側に傾斜しなければよい。このため、傾斜角度αは、０°（つまり溝底壁部４１が中心軸Ｘと平行となる角度）以上の範囲において、３０°より大きくても小さくてもよい。好ましくは、傾斜角度αは、０°以上５０°以下とされる。
　傾斜角度αが０°未満の場合、溝底壁部４１に沿ってピストン冠面１３ａから切欠き部４０に至る経路が、図２に示す断面において、径方向外側に大きく屈曲することになり、ピストン冠面１３ａ上の空気流動をキャビティ３０へ滑らかに導入させにくい。一方、傾斜角度αは大きいほど、ピストン冠面１３ａから切欠き部４０に至る経路を、図２に示す断面において滑らかにすることができ、空気流動をキャビティ３０に導入させやすく、その流量を増大させることができる。
　しかしながら、傾斜角度αが５０°を超える場合、燃焼室１１の圧縮比を維持するためにキャビティ３０の容積を過度に小さくする必要がある。例えば、図１４において破線で示すように、溝底壁部４１０の傾斜角度αを５０°よりも大きくした上で、キャビティ３０の中央部３４０の深さを浅くすることが考えられる。しかしながら、このようにした場合には、図１５に示すように、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧Ｆａと、内周壁面３０ａによって向きが変えられて中央部３４０に沿って案内される噴霧Ｆｂとが互いに干渉しやすくなるので（図中のＷは干渉領域を示している）、噴霧Ｆの流動が阻害されてしまい、空気との混合性が低下してしまう。一方、キャビティ開口部３１を小さくすることも考えられるが、このようにすると、噴霧Ｆが内周壁面３０ａに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので、冷却損失が増大してしまう。
　本実施形態では、切欠き部４０は、溝底壁部４１の傾斜角度αが３０°に設定されており、ピストン冠面１３ａ側に位置する上端部はピストン冠面１３ａ上に開口している。切欠き部４０の傾斜角度αが小さい場合（例えば０°）には、切欠き部４０の上端部はリップ部３２に開口する。
　図３に示されるように、周方向に対向する一対の側壁部４２はそれぞれ、シリンダ１２ａの中心に対して放射状に延びている。このため、切欠き部４０は、径方向外側へ進むにつれて溝幅が増大するようになっている。また、図６に示されるように、一対の側壁部４２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘと平行に延びており、ピストン冠面１３ａに対して直交している。
　図３に戻って、各切欠き部４０は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ周りにおける所定の角度範囲βに形成されている。角度範囲βは、噴霧Ｆの噴霧角θ（図３の平面視における広がり）を考慮して、噴霧Ｆを受ける非切欠き部５０が所定の角度範囲（少なくとも１５°）確保されるよう設定されている。詳しくは、非切欠き部５０が噴霧Ｆの噴霧角θより広い角度範囲を有するように、切欠き部４０の角度範囲βは、想定される噴口数（例えば多くても１６噴口）を考慮して、７．５°以上３０°以下に設定されている。
　すなわち、噴霧Ｆの噴霧角θを考慮すると、非切欠き部５０は少なくとも１５°の角度範囲であることを要する。この場合において、複数の切欠き部４０それぞれの角度範囲βを７．５°に設定した場合には、角度範囲１５°の非切欠き部５０を合計１６個形成できるので、最大で１６噴口を有する燃料噴射弁１７を使用することができる。また、複数の切欠き部４０それぞれの角度範囲βを３０°に設定した場合には、角度範囲１５°の非切欠き部５０を合計８個形成できるので、最大で８噴口を有する燃料噴射弁１７を使用することができる。
　本実施形態では、切欠き部４０の角度範囲βは１４°に設定され、非切欠き部５０の角度範囲は２２°に設定されている。非切欠き部５０の角度範囲（２２°）は、上述した下限の角度範囲（１５°）よりも広い。
　なお、一対の側壁部４２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘから概ね放射状に延びていればよく、必ずしも中心軸Ｘを通る直線上に位置していることは要しない。したがって、一対の側壁部４２は、互いに平行であってもよく、中心軸Ｘから放射状に延びる線に対して互いに同じ方向に傾斜していたり互いに異なる方向に傾斜していたりしてもよい。この場合、切欠き部４０の溝幅は、一定でもよく、径方向外側に向かって増大し又は減少するものでもよい。要するに、隣接する切欠き部４０の間に位置する非切欠き部５０が、噴霧Ｆの噴霧角θより広い角度範囲を有するように設定されていればよい。
　次に、この実施形態の作用効果を説明する。
　図７は、ピストン１３が圧縮上死点近傍に位置するときの、燃焼室１１における噴霧Ｆ及び空気流動Ｚを模式的に示す斜視図である。本実施形態では、上述したように、燃焼室１１にスワール流Ｓとスキッシュ流Ｖとが生成されるようになっており（図３参照）、圧縮上死点近傍に位置するピストン冠面１３ａ上に生成されるこれらの水平方向の流れＳ，Ｖによって、切欠き部４０からキャビティ３０の内部に導入される空気流動Ｚが生成される。
　すなわち、平面視で時計回りに流れるスワール流Ｓと、径方向外側から径方向内側へ流れるスキッシュ流Ｖとが合成されることにより、複数の切欠き部４０を介してキャビティ３０の内周壁面３０ａからその中央部３４側へ向かう空気流動Ｚが生成される。このため、図７に示されるように、キャビティに導入された空気流動Ｚは、スワール流Ｓに沿って時計回りに流動しつつスキッシュ流Ｖに沿って径方向内側に向かうように、中央部３４の中央に向かって螺旋状に流動することになる。
　ここで、図８は、低負荷域における燃焼前半部の状態を示している。図８に示されるように、低負荷域において、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧Ｆは、内周壁面３０ａに到達した後、その大部分が周辺凹部３３に沿ってキャビティ３０の底側へ向きを変えられる。しかしながら、低負荷域においては、噴霧Ｆのペネトレーションが弱い（つまり流動性が低い）ため、噴霧Ｆは周辺凹部３３の近傍に滞留することになる。
　これに対し、本実施形態では、切欠き部４０から導入される空気流動Ｚが、図７及び図８に示すように、スワール方向の下流側に位置する噴霧Ｆを巻込みつつ、中央部３４に向かって螺旋状に流動する。これによって、図８に示されるように、周辺凹部３３において滞留していた噴霧Ｆの中央部３４側への流動が促進されるので、噴霧Ｆとキャビティ３０内の空気との混合性が向上する。
　しかも、空気流動Ｚは、周辺凹部３３において滞留する噴霧Ｆの向きと略同じ方向を向いているので、噴霧Ｆの流動を阻害することなく、むしろ中央部３４側への移動をアシストする。これにより、噴霧Ｆの流動が一層促進される。また、溝底壁部４１は、断面視で周辺凹部３３に外接する接線に沿って形成されているので、切欠き部４０から導入される空気流動Ｚを、滑らかに周辺凹部３３に導入させることができる。これによって、噴霧Ｆの流動がより一層促進される。
　さらに、本実施形態では、周辺凹部３３の第２部分３３ｂを構成する円弧の半径Ｒ２が比較的大きい（第１部分３３ａの半径Ｒ１よりも大きい）ので、図８に示すように、噴霧Ｆが衝突する部位での接線Ｔ方向と噴霧Ｆの噴射方向とのなす角度を小さくすることができる。これにより、噴霧Ｆが内周壁面３０ａに激しく衝突して周辺に散乱することがなく、噴霧Ｆを円滑に第２部分３３ｂに導入することができる。
　また、リップ部３２の存在により、第２部分３３ｂとリップ部３２との境界近傍でリップ部３２に衝突した噴霧Ｆについても、あまり散乱することなく、主に第２部分３３ｂ側へ滑らかに流動するように案内される。これにより、噴霧Ｆの大部分がキャビティ３０内に導入される。
　そして、噴霧Ｆは、第２部分３３ｂから第１部分３３ａに移動し、ピストン１３の径方向外側から内側へと移動する方向に流れの向きが変えられる。その際、第１部分３３ａの半径Ｒ１は第２部分３３ｂの半径Ｒ２よりも小さいので、噴霧Ｆの拡散が抑制されると共に、切欠き部４０からの空気流動Ｚによるアシストと相まって、第３部分３３ｃに向かう噴霧Ｆの流れが加速される。
　このとき、既に一部の燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが発生し、噴霧Ｆは燃焼ガスと未燃燃料とが混ざった半燃焼状態となるが、この半燃焼状態にある噴霧Ｆ（以下、これを半燃焼ガスという）の流れが第１部分３３ａによって加速されることにより、周辺凹部３３の壁面に付着した燃料が吹き飛ばされる。これにより、付着燃料を含む局部リッチな領域での燃焼により発生する煤の量を抑制することができる。
　また、周辺凹部３３は、燃料噴射時に燃料噴射弁１７から最も遠くなる第１部分３３ａ内の位置Ｐと燃料噴射弁１７の噴口１７ａとを結ぶ直線Ｙを中心に対称的に形成されているので、一旦加速された後に減速される半燃焼ガスの流れは、大きく分散することなく、第１部分３３ａの上記位置Ｐを境にピストン１３の径方向外側から内側に向かう流れへと円滑に変換される。
　次に、ピストン１３の径方向内側へ向きを変えられた半燃焼ガスがキャビティ３０の中央部３４で多量の空気と混合するまでの燃焼後半部について説明する。図９に示すように、径方向内側へ向きを変えられた半燃焼ガスは、周辺凹部３３の第３部分３３ｃに沿って案内され、該周辺凹部３３から中心部が凸とされたキャビティ３０の底部の中央部３４に向けて移動する。
　その際、周辺凹部３３における第３部分３３ｃの半径Ｒ３は、第１部分３３ａの半径Ｒ１より大きくされているから、第３部分３３ｃに導入された噴霧Ｆが急激にキャビティ開口部３１側（上方）に向きを変えられることが防止される。これにより、後方転換後の噴霧Ｆが燃料噴射弁１７から噴射された直後の噴霧Ｆと干渉することが避けられる。
　その結果、半燃焼ガスの流れは、勢いを維持したまま、分散することなくキャビティ３０の中央部３４側に向けて流れることになり、燃焼室１１の中央部に存在する多量の空気と良好に混合し、均一でリーンな燃焼ガスが生成される。そして、その状態で燃焼が進行することにより、リッチ領域で燃焼することによる煤の発生が抑制されると共に、燃焼ガスの全体が相対的にリーンであることにより、一部で発生した煤も効果的に酸化されることになる。
　すなわち、ペネトレーションが弱いためにキャビティの内周壁面３０ａに滞留しやすい噴霧Ｆであっても、流動が促進されてキャビティ３０における空気との混合性を向上させることができる。
　しかも、複数の切欠き部４０らキャビティ３０に空気流動Ｚが導入されると共に、この空気流動Ｚによって、複数の噴口１７ａから噴射された噴霧Ｆをキャビティ３０の中央部３４側へ流動させることができる。また、噴霧Ｆは、非切欠き部５０に向けて噴射されるので、キャビティ３０の内周壁面３０ａに案内されて向きが変えられた後に、この方向と同じ方向に導入される切欠き部４０からの空気流動Ｚによって中央部３４側への流動がより一層促進される。
　また、複数の切欠き部４０はそれぞれ、平面視でシリンダ１２ａの中心軸Ｘ周りの７．５°以上３０°以下の角度範囲に形成されている。これにより、非切欠き部５０の角度範囲が過不足なく確保されるので、キャビティ３０の内周壁面３０ａによって噴霧Ｆを良好に案内させることができると共に、切欠き部４０による空気流動Ｚをより効果的に生じさせることができる。
　例えば、切欠き部４０の角度範囲βを７．５°未満にすると、切欠き部４０の容積が相対的に小さくなるため、切欠き部４０により導入される空気流動の運動量が少なく、噴霧の流動を促進する効果が少なくなる。
　逆に、切欠き部４０の角度範囲βを３０°よりも大きくしても、切欠き部４０による噴霧Ｆの流動促進効果の向上はあまり期待できない。むしろ、切欠き部４０の容積が過度に大きくなることで、燃焼室１１の圧縮比を維持するためにキャビティ３０の容積を過度に小さくする必要が生じる。この場合、図１４および図１５を用いて既に説明したとおり、噴霧の混合性や冷却損失の面で不利になる。すなわち、燃焼室１１を浅くすると、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧が互いに干渉しやすくなり、噴霧と空気との混合性が低減してしまう。一方、キャビティ開口部３１を小さくすると、噴霧Ｆは、内周壁面３０ａに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので、冷却損失が増大してしまう。
　上記実施形態では、２つの吸気ポート１４ａの少なくとも一方をヘリカルポート及び／又はタンジェンシャルポートにより構成し、これによって、燃焼室１１にスワール流Ｓを生成させるように構成したが、これに限らない。すなわち、図１０に示されるように、吸気ポートにより燃焼室１１にスワール流Ｓがほとんど生成されず、スキッシュ流Ｖが主に生成される場合でも、噴霧Ｆの流動性を増大させることができる。
　説明すると、切欠き部４０、及び切欠き部４０からキャビティ３０内に導入される空気流動Ｚの経路上では、流れの強い空気流動の作用により、周辺に比して圧力が低下しやすい。この圧力低下により、切欠き部４０や空気流動Ｚの周囲に位置する噴霧Ｆは、空気流動Ｚに引き付けられて、空気流動Ｚとともに中央部３４側へ向かう。したがって、スワール流Ｓが殆ど生成されず、スキッシュ流Ｖが主に生成される場合であっても、切欠き部４０によって噴霧Ｆの中央部３４側への流動を促進することができる。
　図１１～図１３に、燃焼室１１の平面図であって、切欠き部４０の数ＮＣを燃料噴射弁１７の噴口数ＮＨの半分とした変形例を示している。図１１に示す例では、噴口数ＮＨは１０であり、切欠き部４０の数ＮＣは５である。燃料噴射弁１７から噴射される各噴霧Ｆは、周方向の一方側において切欠き部４０に隣接しており、他方側において噴霧Ｆに隣接している。
　この場合において、燃焼室１１にスワール流Ｓが生成されると、図１２に示されるように、空気流動Ｚは、スワール方向Ｓの上流側（図１２において反時計回り側）に隣接する噴霧Ｆ１を低下した圧力により引き込みつつ、スワール方向Ｓの下流側（図１２において時計回り側）に隣接する噴霧Ｆ２を巻込んで、キャビティ３０の中央部３４側へ流動させるように作用する。
　また、燃焼室１１にスワール流Ｓが殆ど生成されておらず、スキッシュ流Ｖが主に生成される場合には、図１３に示されるように、空気流動Ｚは、周方向の両側に隣接する噴霧Ｆ１、Ｆ２を、低下した圧力により引き込みつつ、キャビティ３０の中央部３４側へ流動させるように作用する。
　また、噴口数ＮＨの関数として、切欠き部４０の角度範囲βを設定してもよい。この場合、燃料噴射弁１７の噴口数ＮＨ、切欠き部４０の角度範囲βが、以下の式（２）の関係を満たすように設定する。
　（３６０°×０．１）／ＮＨ≦β≦（３６０°－ＮＨ×１５°）／ＮＨ　‥‥（２）
　すなわち、角度範囲βを下限値に設定した場合には、全ての切欠き部４０の角度範囲βの合計が、ピストン冠面１３ａの周部における１０％は少なくとも確保されることになり、切欠き部４０を介してキャビティ３０に導入される空気流動の流量を確保できる。また、角度範囲βを上限値に設定した場合には、非切欠き部５０を少なくとも１５°の角度範囲で確保することができるので、噴霧Ｆを非切欠き部５０で受け止めつつ、内周壁面３０ａに沿ってキャビティ３０に案内できる。
　上記実施形態では、リエントラント型のキャビティを有するピストンを例にとって説明したが、浅底型又はトロイダル型等種々のキャビティを有するピストンにも適用してもよい。
　また、上記実施形態では、切欠き部４０を、キャビティ開口部３１の周縁部に複数設けたが、これに限らない。すなわち、１箇所のみ設けてもよい。これによっても、切欠き部４０からキャビティ３０へ空気流動を導入させることができる。
　実施例１～４のピストン１３について、キャビティ３０内における空気流動Ｚを、ＣＡＥ解析により評価した。表１に示されるように、実施例１～４は、切欠き部４０の溝底壁部４１の傾斜角度αのみ異なっており、その他は同一である。すなわち、各切欠き部４０は、燃料噴射弁１７の噴口数ＮＨは１０であり、同様に切欠き部４０の数ＮＣも１０であり、周方向における角度範囲βは１４°である。
　実施例１では、切欠き部４０（溝底壁部４１）の傾斜角度αが０°であり、実施例２～４では、切欠き部４０の傾斜角度αが２０°、３０°、４５°と順に大きくなる。実施例１～４に係る切欠き部４０を有するピストン１３の低速域における空気流動Ｚをそれぞれの最高流速により評価し、表１に、実施例１における空気流動の最高流速を１００として、実施例２～４の最高流速をそれぞれ指数で示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、切欠き部４０の傾斜角度αが０°から増大するにしたがって、空気流動Ｚの最大流速は増大する。特に、実施例２及び実施例３から判るように、傾斜角度αが２０°より大きくなると顕著に空気流動Ｚの最大流速は増大する。一方で、実施例３及び実施例４から判るように、傾斜角度αが３０°より大きくなるにしたがって、最大流速の上昇代が収束するようになっている。
　したがって、切欠き部４０の傾斜角度αを０°以上に設定することにより、空気流動Ｚの最大流速を上昇させることができ、これによりキャビティ３０における噴霧Ｆの流動性を高めることができる。一方で、切欠き部４０の傾斜角度αは５０°以下に設定することによって、切欠き部４０の範囲が過大になることを防止しつつ噴霧Ｆの流動性を効果的に高めることができる。
　上記実施形態のディーゼルエンジンの特徴をまとめると以下のとおりである。
　ディーゼルエンジンは、シリンダと、前記シリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁と、前記シリンダ内に往復運動可能に設けられたピストンとを備える。前記ピストンは、上死点に位置するときに前記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け入れ可能なように冠面から前記シリンダヘッドとは反対側に凹設されたキャビティを有する。前記ピストンは、更に、前記キャビティの開口部の周縁部の一部に、前記キャビティの内周壁面から前記冠面にわたる領域を径方向外側へ凹設した切欠き部を有する。前記切欠き部は、前記冠面から前記内周壁面に向かって前記シリンダの中心軸に対して０°以上５０°以下の角度で径方向内側へ傾斜している。
　この構成によれば、上死点近傍のピストン冠面上に生じる水平方向の空気流動（例えばスワール流又はスキッシュ流）が、切欠き部を通じて、キャビティの内周壁面から中央部側へ向かうように導入される。また、この切欠き部を通じて導入された空気流動によって、キャビティの内周壁面の近傍の噴霧の中央部側への流動が促進されるので、噴霧と空気との混合性が向上する。すなわち、ペネトレーションが弱いためにキャビティの内周壁面に滞留しやすい噴霧であっても、流動が促進されてキャビティにおける空気との混合性を向上させることができる。
　しかも、切欠き部は、ピストンの冠面からキャビティの内周壁面に向かってシリンダの中心軸に対して０°以上５０°以下の角度で径方向内側へ傾斜している。この結果、切欠き部による空気流動を径方向内側に効果的に生じさせることができる。
　すなわち、切欠き部の上記傾斜角度が０°未満である場合、つまり切欠き部が径方向外側に傾斜している場合、ピストンの冠面上の空気流動は径方向外側へ向かうように導入されることになるので、噴霧の径方向内側への流動を阻害しやすい。
　また、切欠き部の上記傾斜角度が５０°より大きくなると、切欠き部の容積が過度に大きくなり、燃焼室の圧縮比を維持するためにキャビティの容積を過度に小さくすることを要する。キャビティの容積減少のために燃焼室を浅くすると、噴霧が互いに干渉しやすくなり、空気との混合性の向上効果が低減する。一方、キャビティの容積減少のために燃焼室の開口径を小さくすると、噴霧のペネトレーションが強くなるので冷却損失が増大してしまう。
　好ましくは、前記切欠き部は、周方向に互いに間隔を空けて複数形成される。
　この構成によれば、複数の切欠き部からキャビティに空気流動が導入されるので、噴霧のキャビティ中央部側への流動がより一層強化される。
　好ましくは、前記燃料噴射弁は、前記シリンダの中心軸方向視において径方向の中心に位置しており、放射状に燃料を噴射可能な複数の噴口を有している。
　この構成によれば、複数の噴口から噴射された噴霧を、切欠き部から導入された空気流動によって、キャビティ中央部側へ流動させることができる。これによって、空気との混合が促進された噴霧をキャビティに略均一に拡散させることができる。
　好ましくは、前記燃料噴射弁は、前記キャビティの開口部の周縁部における前記切欠き部以外の部位である非切欠き部を指向するように燃料を噴射可能な噴口を有している。
　この構成によれば、非切欠き部に向けて噴射された噴霧がキャビティの内周壁面によって中央部側へ案内されるとともに、切欠き部から導入される空気流動によって中央部側への噴霧の流動がより一層促進される。
　以上説明したように、本発明に係るディーゼルエンジンによれば、ペネトレーションが弱い噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるので、この種の製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

Claims (4)

  1. 　シリンダと、
    　前記シリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、
    　前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁と、
    　前記シリンダ内に往復運動可能に設けられたピストンであって、上死点に位置するときに前記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け入れ可能なように、冠面から前記シリンダヘッドとは反対側に凹設されたキャビティを有するピストンと
    　を備え、
    　前記ピストンは、前記キャビティの開口部の周縁部の一部に、前記キャビティの内周壁面から前記冠面にわたる領域を径方向外側へ凹設した切欠き部を更に有し、
    　前記切欠き部は、前記冠面から前記内周壁面に向かって前記シリンダの中心軸に対して０°以上５０°以下の角度で径方向内側へ傾斜している、ディーゼルエンジン。
  2. 　前記切欠き部は、周方向に互いに間隔を空けて複数形成されている、
    　請求項１に記載のディーゼルエンジン。
  3. 　前記燃料噴射弁は、前記シリンダの中心軸方向視において径方向の中心に位置しており、放射状に燃料を噴射可能な複数の噴口を有している、
    　請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
  4. 　前記燃料噴射弁は、前記キャビティの開口部の周縁部における前記切欠き部以外の部位である非切欠き部を指向するように燃料を噴射可能な噴口を有している、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
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